Etude de la production de pigments naturels par voie microbiennes lors du fractionnement de la biomasse lignocellulosique

Study of the natural pigments production by microorganisms occurring through the lignocellulose fractionation

• Auteur / Autrice : Mathieu Cassarini
• Direction : Caroline Remond-zilliox
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2019
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fractionnement des Agro-Ressources et Environnement (FARE) - INRA UMR A 614 (Reims, Marne)

Mots clés

Mots clés libres

Biotechnologie

Microbiologie

Pigments naturels

Lignocellulose

Fractionnement

Métabolites secondaires

Biotechnology

Natural pigments

Fractionation

Secondary metabolites

Lignocellulosis

Microbiology

Résumé

Contexte : Parmi les métabolites secondaires émergents, le marché des pigments naturels est en voie d'expansion. En effet, la demande industrielle pour ceux-ci a atteint 10 milliards de tonnes en 2017 avec également une hausse économique de ce secteur financier estimée à 1,4 milliards de dollars en 2018, ceci uniquement pour le sous marché des bêta-carotènes. Les pigments peuvent être extraits à partir de végétaux ou de minéraux, produits par synthèse chimique ou par voie microbienne. Les pigments microbiens possèdent différentes fonctions pour les microorganismes qui les produisent : protection contre le rayonnement UV acquisition de nutriments ou d'énergie par photosynthèse et peuvent être utilisés dans les secteurs de la médecine, des cosmétiques, des bio-indicateurs de pollution ou en tant qu'agents anti-microbiens. A l'heure actuelle, le prix de production des pigments naturels reste élevé de par le fort prix des milieux synthétiques riches nécessaires pour les cultures microbiennes ; des efforts ont été cependant réalisés afin de réduire le coût de production de ces pigments. Dans ce contexte, l'utilisation de biomasses lignocellulosiques, abondamment disponibles et peu onéreuses constitue un intérêt pour la production microbienne de métabolites. Les microorganismes capables de produire des pigments microbiens sont ubiquistes et sont retrouvés majoritairement dans les sols ; cependant, de nouvelles niches écologiques (océan, désert) ont été étudiées afin de cibler une grande diversité de production de pigments par les microorganismes. Ces pigments microbiens sont produits principalement et historiquement dans le domaine industriel par des souches fongiques mais des souches bactériennes aux multiples avantages (tel un temps de vie et donc de production plus court) sont également utilisées. Objectifs scientifiques : Ce projet aura pour objectif de développer des approches de biotechnologies blanches innovantes pour répondre à des problématiques actuelles en lien avec la bioraffinage du végétal pour la production de molécules à haute valeur ajoutée. Ainsi, le projet visera à étudier la capacité de souches bactériennes et fongiques (précédemment caractérisées dans la littérature) à produire des pigments d'intérêt par croissance sur des substrats lignocellulosiques. La caractérisation et possible découverte de nouveaux pigments d'intérêt seront étudiées par des approches de métabolomique. Le projet permettra donc : (a) d'étudier la culture de souches microbiennes ayant un potentiel de production de pigments naturels à partir de co-produits agricoles abondants (b) de maitriser les cultures de souches les plus intéressantes afin d'optimiser la production des pigments (c) d'étudier une approche par co-cultures permettant une production de pigments par des souches fonctionnellement dédiées soit au fractionnement des lignocelluloses soit à la production de métabolites avec pour objectif d'obtenir une complémentarité fonctionnelle (d) de développer des procédés microbiens pour la production de molécules d'intérêt à partir de lignocelluloses en alternative à la production chimique de pigments à partir de ressources non renouvelables (e) de comprendre mécanistiquement la production de pigments lors du fractionnement de la lignocellulose. Dissémination et valorisation des résultats : L'ensemble des résultats obtenus lors de ce projet sera présenté lors de congrès nationaux et internationaux et fera l'objet de publication dans des journaux à facteur d'impact élevé.

Context Among the emerging secondary metabolites, the natural pigment market in increasing. Indeed,the industrial demand has reached 10 billion of tons in 2017 with and economic increase up to 1.4 billion dollars in 2018 only for the sub-market of the beta-carotenes. The pigments can then be extracted from minerals or plants, produced by chemical synthesis or by microbial production. The microbial pigments possess different functions for the microorganisms which produce them: UV protection, nutrient/energy acquisition through the photosynthesis and can be used in the cosmetic and medicine fields or as antimicrobial agents and bioindicators. Nowadays, the production price of natural pigments remains high due to the price of rich synthetic media necessaries for the microbial cultures; however, efforts were made to reduce the production price of those pigments. In this context, the utilization of cheap lignocellulosic biomasses, highly available is a solution for the microbial production of metabolites. The microorganisms able to produce microbial pigments are ubiquitous and mainly found in soils; however, new ecological niches have been studied (ocean, desert) in order to target a greater diversity of pigment production by microorganisms. Those microbial pigments are mainly produced in the industry by fungal strains but bacterial strains with many advantages (shorter generation time and thus of metabolite production) are also used. Objectives The project will have for objective to develop white biotechnology approaches to solve issued inherent with the biorefinery for the production of high value added molecules. The project will investigate the ability of bacterial and fungal strains (previously characterized in the literacy) to produce pigments of interest by growing and fractioning lignocellulosic substrates. The identification and discovery of now pigments will be studied by metabolomic approaches. The project will allow: (a) to study the culture of microbial strains having a potential to produce natural pigments from abundant agricultural co-products, (b) to master the most interesting strains in order to optimize the pigment production, (c) to perform a co-culture experiment allowing an optimized pigment production by microbial strains either dedicated to the fractionation of the biomass or the metabolite production by using complementary functions, (d) develop microbial processes for the production of molecules of interest from lignocellulose by substituting the pigment chemical production from non-renewable resources and to (e) understand mechanistically the pigment production through the lignocellulose fractionation.